進(jìn)化論系列講座（二十）遺傳學(xué)再敘

郭建崴

上文說到，由德弗里斯提出、經(jīng)摩爾根發(fā)展的突變論在20世紀(jì)初形成了一股大有取代達(dá)爾文主義的勢頭。為什么會(huì)這樣？還要從遺傳學(xué)的突飛猛進(jìn)說起。

尋找遺傳的物質(zhì)載體

孟德爾遺傳定律的發(fā)現(xiàn)與再發(fā)現(xiàn)，得益于一批生物學(xué)家以實(shí)驗(yàn)手段對(duì)博物學(xué)觀察手段的深入和細(xì)化。但是決定遺傳規(guī)律的物質(zhì)基礎(chǔ)，也就是“遺傳因子”到底是什么，還需要另外一批學(xué)者從另一個(gè)研究角度的切入。顯微鏡的發(fā)明和不斷改進(jìn)，為人類逐漸發(fā)現(xiàn)遺傳的物質(zhì)載體打開了一扇大門。

早在公元1世紀(jì)，羅馬帝國的學(xué)者就已經(jīng)開始用簡易的玻璃鏡片來放大他們的觀察對(duì)象。到了13世紀(jì)，透鏡已經(jīng)在眼鏡中被廣泛使用。顯微鏡作為由一個(gè)透鏡或幾個(gè)透鏡組合構(gòu)成的一種光學(xué)儀器，于1590年由荷蘭的詹森父子首創(chuàng)——雖然也有別人在爭這個(gè)首創(chuàng)權(quán)。不過沒有爭議的是，“顯微鏡”一詞與著名科學(xué)家伽利略·伽利雷有關(guān)，大約在1610年前后，他發(fā)現(xiàn)可以用望遠(yuǎn)鏡近距離聚焦來觀察小物體，并在1624年看到由德雷爾制造的復(fù)合顯微鏡后，制造了自己的改進(jìn)品并將其稱之為“小眼睛（occhiolino）”。不久后德國植物學(xué)家喬瓦尼·費(fèi)伯為伽利略于1625年提交給林肯大學(xué)的復(fù)合顯微鏡起了“顯微鏡”這個(gè)名字——由“micro（意為‘微小’）”和“scopia（意為‘看見’）”兩個(gè)詞根結(jié)合而成。

博物學(xué)家們隨后迅速地將顯微鏡用于生物學(xué)研究。意大利科學(xué)家馬爾切洛·馬爾皮吉（Marcello Malpighi）從對(duì)肺部生物結(jié)構(gòu)的分析開始，用顯微鏡研究人體的微細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了腎小球、腎小管、紅細(xì)胞、毛細(xì)血管網(wǎng)等結(jié)構(gòu)，被一些科學(xué)史家稱為組織學(xué)之父；他觀察到血液通過毛細(xì)血管網(wǎng)，從而證實(shí)了哈維的血液循環(huán)學(xué)說；此外他還對(duì)不同植物進(jìn)行了顯微解剖比較研究，發(fā)現(xiàn)動(dòng)、植物結(jié)構(gòu)有相似之處。英國學(xué)者胡克（Robert Hooke，1635－1703）則在1663年通過用顯微鏡觀察軟木而證明了細(xì)胞的存在（雖然最初看到的只是細(xì)胞壁）；不久，他的《顯微制圖》（1665，是英國皇家學(xué)會(huì)出版的首部著作）更是因其令人印象深刻的顯微鏡繪圖而產(chǎn)生了巨大的影響。荷蘭人列文虎克（Antonie Philips van Leeuwenhoek，1632－1723）的重大貢獻(xiàn)則在于用簡單的單透鏡顯微鏡實(shí)現(xiàn)了300倍的放大，因此發(fā)現(xiàn)了大量的微生物并且在1676年10月9日?qǐng)?bào)道了這些發(fā)現(xiàn)；一年后，他向英國皇家學(xué)會(huì)提交了“漢姆先生”發(fā)現(xiàn)精子的報(bào)道。根據(jù)對(duì)漢姆先生發(fā)現(xiàn)的確認(rèn)以及自己隨后進(jìn)行的更加深入的顯微鏡下觀察，列文虎克堅(jiān)信精子（“精液中用小尾巴游泳的小生物”）就是男性繁殖后代的“種子”——人類首次找到了遺傳的物質(zhì)載體，雖然當(dāng)時(shí)對(duì)其形態(tài)和功能的各種解釋猶如天方夜譚。

接下來的一個(gè)半世紀(jì)，眾多學(xué)者對(duì)動(dòng)、植物的細(xì)胞及其內(nèi)容物進(jìn)行了廣泛的研究，積累了大量資料。1828年，因發(fā)現(xiàn)“布朗運(yùn)動(dòng)”而至今仍廣為人知的羅伯特·布朗（Robert Brown，1773-1858）證實(shí)了細(xì)胞核的普遍存在并予以命名。1838年，德國植物學(xué)家施萊登（Matthias Jakob Schleiden，1804-1881)發(fā)表了“植物發(fā)生論”，認(rèn)為無論多么復(fù)雜的植物都由形形色色的細(xì)胞構(gòu)成；他認(rèn)識(shí)到了細(xì)胞核的重要意義，還在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了核仁。德國解剖學(xué)家施旺（Theodor Schwann，1810-1882）完全接受了施萊登的學(xué)說，并將其在植物中的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展到動(dòng)物中去，于1838年提出了“細(xì)胞學(xué)說”（Cell Theory）這個(gè)術(shù)語；1839年施旺又發(fā)表了“關(guān)于動(dòng)植物結(jié)構(gòu)和生長一致性的顯微研究”，把細(xì)胞學(xué)說擴(kuò)展至所有生命，提出有機(jī)體是由細(xì)胞構(gòu)成的、細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的基本單位。

細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立歸功于施萊登和施旺兩個(gè)人，正式創(chuàng)立年份被定為1839年。后來在1858年，德國病理學(xué)家魏爾肖（Rudolf Virchow，1821－1902）提出細(xì)胞通過分裂產(chǎn)生新細(xì)胞的觀點(diǎn)將其進(jìn)一步完善。細(xì)胞學(xué)說論證了整個(gè)生物界在結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性，以及在進(jìn)化上的共同起源，推動(dòng)了生物學(xué)的發(fā)展，并為辯證唯物主義提供了重要的自然科學(xué)依據(jù)。因此，恩格斯把細(xì)胞學(xué)說、能量守恒和轉(zhuǎn)換定律、達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說并譽(yù)為19世紀(jì)最重要的三大自然科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

著名的進(jìn)化論學(xué)者?？藸栐?866年提出遺傳物質(zhì)存在于細(xì)胞核內(nèi)的猜測，這個(gè)猜測隨后被赫特維奇（Oskar Hertwig，1849-1922）和波弗利（Theodor Boveri，1862-1915）等學(xué)者通過研究海膽的受精過程加以證實(shí)，并且成為了新達(dá)爾文主義的提出者魏斯曼創(chuàng)立種質(zhì)連續(xù)學(xué)說的基礎(chǔ)。那么細(xì)胞核內(nèi)的什么東西、以何形式構(gòu)成遺傳物質(zhì)呢？染色體的發(fā)現(xiàn)揭開了神秘的面紗。

施萊登和施旺創(chuàng)立細(xì)胞學(xué)說以后，對(duì)于細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)與作用的研究停滯了相當(dāng)長的一段時(shí)間，原因是由于細(xì)胞比較透明，在顯微鏡下難以看清其內(nèi)部的詳細(xì)情況。19世紀(jì)中葉以后合成染料時(shí)代的來臨為揭開細(xì)胞核的秘密帶來了機(jī)遇，弗萊明（Flemming Walther）等細(xì)胞學(xué)家用這類染料（例如洋紅）給細(xì)胞染色，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中一些部分吸收某些染料，另一些部分不吸收，結(jié)果透明的細(xì)胞會(huì)被染成帶顏色的圖案，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以被分辨。施特拉斯堡格（Edouard Strasburger，1844-1912）用這種方法觀察并描述了植物細(xì)胞在分裂時(shí)的變化過程。弗來明則在研究動(dòng)物細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞核中的一些物質(zhì)大量吸收一種叫做蘇木精的染料而被染色最深，他將此物質(zhì)稱為染色質(zhì)；他給一段正在生長著的組織染色，觀察到了細(xì)胞分裂的各個(gè)階段——細(xì)胞分裂即將開始時(shí)，包裹細(xì)胞核的核膜消失，染色質(zhì)凝縮成數(shù)條短短的線狀物體——它們后來被稱為染色體，有規(guī)律地排列在細(xì)胞的“赤道”平面上，當(dāng)細(xì)胞分裂開始進(jìn)行時(shí)，染色體的數(shù)目增加一倍，隨后纏繞在一種被弗來明稱之為星狀體的結(jié)構(gòu)細(xì)絲中，這時(shí)分成兩半，分別移到細(xì)胞的“兩極”并被新形成的核膜包裹形成兩個(gè)新的細(xì)胞核，染色體在新的細(xì)胞核內(nèi)又恢復(fù)成絲狀的染色質(zhì)，細(xì)胞分裂開、形成兩個(gè)子細(xì)胞，各分得相等的染色質(zhì)。弗來明稱此過程為有絲分裂，其最重要的生物學(xué)意義體現(xiàn)在，由于在細(xì)胞分裂前染色體增加了一倍，所以每個(gè)子細(xì)胞獲得了與原來未分裂的細(xì)胞同樣多的染色質(zhì)，從而保證了染色體數(shù)量在細(xì)胞分裂過程中代代相傳。作為對(duì)自己觀察的總結(jié)，弗來明在1882年出版了著作——《細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核與細(xì)胞分裂》。

比利時(shí)細(xì)胞學(xué)家貝內(nèi)登（Beneden，Edouard Joseph Louis Marie van，1846-1910）在詳細(xì)地解讀弗來明的著作后，于1887年成功地論述了兩個(gè)關(guān)于染色體的基本事實(shí)，即除了生殖細(xì)胞外體內(nèi)的不同細(xì)胞內(nèi)的染色體數(shù)目不變，各種生物各有一定數(shù)目的染色體（例如人的每一個(gè)細(xì)胞含有46條染色體）。此外，他發(fā)現(xiàn)在形成卵細(xì)胞和精子的過程中，細(xì)胞的第一次分裂時(shí)染色體在分裂前并不復(fù)制，每一個(gè)卵細(xì)胞和精細(xì)胞所含的只為通常數(shù)目的一半。這一點(diǎn)實(shí)際上與孟德爾的遺傳定律恰好吻合——如果染色體成對(duì)地存在，同時(shí)每一個(gè)遺傳因子也是成雙地存在（一對(duì)固定的染色體中的每一個(gè)染色體上各有一個(gè)），那么每一個(gè)親本都會(huì)向一個(gè)生殖細(xì)胞傳輸一個(gè)這樣的因子，在受精過程中當(dāng)卵細(xì)胞同精子結(jié)合時(shí)，染色體又會(huì)恢復(fù)到正常的數(shù)目，子代也就會(huì)再次有一對(duì)遺傳因子，其中一個(gè)來自父本，另一個(gè)來自母本。

弗來明和貝內(nèi)登當(dāng)時(shí)都不知道孟德爾的研究工作，所以他們均沒有意識(shí)到所有這些現(xiàn)象在遺傳學(xué)上的意義。十幾年后，當(dāng)?shù)赂ダ锼沟热酥匦掳l(fā)現(xiàn)孟德爾的研究之時(shí)，驀然回首，弗來明和貝內(nèi)登已經(jīng)給孟德爾依據(jù)生物性狀的統(tǒng)計(jì)所發(fā)現(xiàn)的遺傳法則提供了細(xì)胞學(xué)“背書”。

在前人工作的基礎(chǔ)上，美國遺傳學(xué)家薩頓（Sutton，Walter Stanborough）通過對(duì)蝗蟲生殖細(xì)胞的研究進(jìn)一步探明了染色體的遺傳過程，以1903年發(fā)表的《遺傳中的染色體》一文加以了總結(jié)：

1）雙倍體染色體由兩套形狀相似的單倍染色體組成，一套來源于父本、一套來源于母本（它們后來被稱為同源染色體）；

2）同源染色體配對(duì)產(chǎn)生減數(shù)分裂過程中的聯(lián)會(huì)現(xiàn)象；

3）減數(shù)分裂使生殖細(xì)胞（配子）只得到同源染色體其中的一套；

4）包括減數(shù)分裂在內(nèi)的有絲分裂，盡管在其過程中染色體形狀發(fā)生變化，但其個(gè)體性不變；

5）減數(shù)分裂過程中每一對(duì)同源染色體的分配與其他對(duì)同源染色體的分配相互獨(dú)立，每個(gè)配子隨機(jī)地得到每對(duì)同源染色體中的一條。

薩頓認(rèn)為，如果遺傳因子包含在染色體中，并且一對(duì)因子如Aa分別位于一對(duì)同源染色體上，那么減數(shù)分裂就會(huì)使含有Aa的細(xì)胞產(chǎn)生出分別含有A和a的配子，而且兩種配子產(chǎn)生的比例相同，這正是孟德爾分離定律的體現(xiàn)。再考慮到另一對(duì)同源染色體上的另一對(duì)遺傳因子Bb的情況，那么產(chǎn)生的分別含有AB、Ab、aB和ab因子的配子比例也相同，這又是孟德爾自由組合定律的體現(xiàn)。薩頓進(jìn)而推測，由于相對(duì)于大量的遺傳因子而言染色體數(shù)目有限，因此必然形成許多遺傳因子位于同一條染色體上并一起遺傳下去的情況，這些因子就不能夠發(fā)生自由組合，從而解釋了“遺傳學(xué)”這一名詞的創(chuàng)立者、英國生物學(xué)家貝特森（Wiliam Bateson，1861～1926）發(fā)現(xiàn)的連鎖現(xiàn)象，也說明只有那些位于不同染色體上的遺傳因子的遺傳才符合孟德爾自由組合定律。

至此，染色體作為遺傳因子的攜帶者實(shí)現(xiàn)遺傳的事實(shí)已經(jīng)成為遺傳學(xué)家的共識(shí)。1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜（W. Johansen，1859～1927）在《精密遺傳學(xué)原理》一書中正式提出“基因”概念替代傳統(tǒng)用語“遺傳因子”；同一年，摩爾根開始培養(yǎng)果蠅用以進(jìn)行遺傳學(xué)研究，數(shù)年后結(jié)出碩果——發(fā)現(xiàn)遺傳學(xué)“第三定律”。

遺傳學(xué)第三定律的發(fā)現(xiàn)

摩爾根在其學(xué)術(shù)生涯的頭10年主要從事實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的研究。孟德爾定律被重新發(fā)現(xiàn)之初摩爾根是持懷疑態(tài)度的，他認(rèn)為這些定律可能只適合于豌豆而不適用于其他生物。他曾用一般的野生家鼠與腹部白色體側(cè)黃色的飼養(yǎng)家鼠進(jìn)行雜交，結(jié)果后代出現(xiàn)五花八門的體色。不過，德弗里斯的突變論卻對(duì)他產(chǎn)生了深深的吸引力，促使他用果蠅進(jìn)行誘發(fā)突變的實(shí)驗(yàn)——嘗試用化學(xué)藥劑、冷熱處理、放射性輻射等各種手段來誘發(fā)果蠅突變。

經(jīng)歷了無數(shù)次的失敗，1910年5月，他的妻子兼實(shí)驗(yàn)員終于發(fā)現(xiàn)了一只白色眼睛的奇特雄性果蠅，而它的同胞姊妹、父母以及所有先輩眼睛都是紅色的（也有一個(gè)說法認(rèn)為真正的發(fā)現(xiàn)者另有其人）。這顯然是一個(gè)突變體，摩爾根對(duì)這只果蠅關(guān)懷備至精心飼養(yǎng)，并使它同一只正常的紅眼雌蠅交配產(chǎn)下后代，終于留下了突變基因并隨后繁衍出一個(gè)大家系。

這個(gè)家系的子一代眼睛都是紅色的，顯然眼色的紅對(duì)白來說表現(xiàn)為顯性，與孟德爾當(dāng)初進(jìn)行豌豆實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致，讓摩爾根暗吃一驚。他又將子一代雌雄交配，結(jié)果發(fā)現(xiàn)子二代中的紅眼、白眼果蠅的比例竟然是3：1——摩爾根徹底信服了孟德爾。

欽佩之余，摩爾根坐回顯微鏡旁再次觀察這些白眼果蠅時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)孟德爾在豌豆上觀察不到的現(xiàn)象——子二代白眼果蠅竟然全部都是雄性。這一新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象促使摩爾根繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，最終認(rèn)識(shí)到，果蠅的4對(duì)染色體當(dāng)中有一對(duì)是決定性別的，其中雌性果蠅的這兩條性染色體完全一樣，記為XX染色體，雄性果蠅中的性染色體卻是一大一小，記為XY染色體，而決定眼睛顏色的基因就位于X染色體上。因此，當(dāng)?shù)谝恢煌蛔凅w白眼果蠅與正常的紅眼果蠅交配后，由于紅眼是顯性基因，因此后代不論雌雄都是紅眼果蠅；當(dāng)進(jìn)行子一代間的雜交時(shí)，含有白眼基因的雌性紅眼果蠅與正常的雄性紅眼果蠅交配，含白眼基因的一條X染色體就與一條Y染色體結(jié)合，產(chǎn)生子二代果蠅中的白眼類型，而且都是雄性的。這種眼色基因隨同X染色體遺傳的現(xiàn)象正是“連鎖”——決定眼色的基因和決定性別的基因就像鎖鏈一樣鉸合在一起，當(dāng)染色體對(duì)分裂時(shí)一起聯(lián)動(dòng)，組合時(shí)也一起與另外的染色體結(jié)合。

第一個(gè)突變果蠅的發(fā)現(xiàn)似乎是打開了水壩的閘門，摩爾根團(tuán)隊(duì)在隨后不到3年時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了40多個(gè)基因突變的果蠅。其中，摩爾根的學(xué)生發(fā)現(xiàn)的一種突變——果蠅的小翅基因，給摩爾根帶來了新的挑戰(zhàn)。這種突變基因與白眼基因一樣位于X染色體上伴性遺傳，但是當(dāng)染色體配對(duì)時(shí)，這兩個(gè)基因卻并不完全連鎖——根據(jù)連鎖原理，攜帶白眼基因和小翅基因的果蠅雜交產(chǎn)生的下一代應(yīng)該只有白眼小翅和紅眼正常翅兩種類型，但是他們發(fā)現(xiàn)一些白眼正常翅和紅眼小翅的類型也出現(xiàn)了。如何解釋呢？摩爾根分析指出，染色體上的基因連鎖群并不像鎖鏈那樣牢靠，染色體有時(shí)會(huì)斷裂，甚至與另一條染色體互換部分基因。兩個(gè)基因在染色體上的位置相距越遠(yuǎn)，它們之間發(fā)生變故的幾率就越大，染色體交換基因的頻率就越高。白眼基因與小翅基因雖然同在X染色體上，但因相距較遠(yuǎn)而會(huì)互換部分基因，于是后代中自然就會(huì)出現(xiàn)新的類型。摩爾根將“互換”現(xiàn)象與連鎖現(xiàn)象結(jié)合在一起提出了“連鎖與互換定律”，它和孟德爾的分離定律、自由組合定律一道，被稱為遺傳學(xué)三大定律?；?qū)W說從此誕生，遺傳學(xué)告別了純理論推演時(shí)代，重大發(fā)現(xiàn)雨后春筍般出現(xiàn)，成為20世紀(jì)最為活躍的研究領(lǐng)域。

就遺傳學(xué)以至于整個(gè)科學(xué)體系的發(fā)展來說，摩爾根居功至偉；也因如此，經(jīng)他推向高潮的突變論在那個(gè)時(shí)代對(duì)達(dá)爾文主義而言的確是“壓力山大”。有意思的是，后來將這種壓力轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，推動(dòng)進(jìn)化論上升到新高度的主力軍，恰恰又是摩爾根的“弟子”們。這些，我們下回接敘。